一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件及其制备方法与流程

本发明涉及半导体发光器件的领域，具体涉及一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件及制备方法。

背景技术：

三族氮化物由于具有有宽禁带、高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为目前半导体技术研究的热点。三族氮化物GaN(禁带宽度3.4eV)、AlN(禁带宽度6.2eV)、InN(禁带宽度0.7eV)及其组成的合金禁带宽度覆盖了从红外到可见光、紫外光的能量范围，因此在光电子领域有着广泛的应用，如大功率白光LED，激光器，紫外波段的日盲探测器等。目前三族氮化物LED、激光器及电子器件已经实现了商品化生产，广泛应用于显示器背光源、照明、信息存储等领域。

由于大尺寸三族氮化物单晶材料生长十分困难，这使得同质外延生长难以大规模实现。目前主要是采用异质外延生长的办法在蓝宝石、碳化硅、硅等衬底上生长。经过外延技术的不断革新，在异质衬底上已经生长实现了较高质量的三族氮化物材料及其相关的光电器件，并实现了产品的商业化。然而，日趋成熟的技术也促进了对三族氮化物光电器件性能的进一步要求，特别的是在激光器、量子信息存储、单光子源器件的应用方面。但是由于晶格失配和热失配等原因，异质外延的三族氮化物材料无可避免的存在较高密度的位错，光电器件的量子效率由于位错的存在导致急速下降，极大地影响了器件性能。

技术实现要素：

为解决现有技术中三族氮化物发光器件因高位错密度导致的低量子效率的问题及p型电极阴影问题，本发明提出了一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件及制备方法，在图形化掩膜上选择区域生长微纳结构的三族氮化物，减小了材料的位错密度，提高了内量子效率。然后将衬底剥离后倒装器件，把金属p型电极作为新的支撑衬底，这样器件的导热性能更加优越，而且金属p型电极可以作为反射镜，倒装器件解决了p型电极阴影问题，提高了发光效率。此外，微纳结构的发光器件作为显示时具有更高的分辨率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件，包括发光器件本体，所述发光器件本体自上而下依次有第一n型三族氮化物层(1)、图形化掩膜层(2)、第二n型三族氮化物层(3)、三族氮化物有源层(4)、p型三族氮化物层(5)、反光导电层(6)、p型电极(7)，所述第一n型三族氮化物层(1)上设有n型电极(8)。

优选的，所述第二n型三族氮化物层(3)为六角金字塔结构或六角截顶金字塔结构。

优选的，所述图形化掩膜层(2)的图形为周期性多边形或圆孔，尺寸为1μm～20μm，阵列周期为50μm～200μm。

优选的，所述图形化掩膜层(2)的材料为SiO₂、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、SiN_x其中的一种，其厚度为100nm～1000nm。

优选的，所述第二n型三族氮化物层(3)为AlN、GaN、InN、不同组分的AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaN的单层或复合层结构。

优选的，所述反光导电层(6)为Ti、Al、Ag、Pt其中的一种，厚度为100nm～1000nm。

优选的，所述n型电极(8)为Ti、Al、Ni、Au、Ag、Cr、Pd、Pt中的两种、三种或者四种合金，其中每种合金的厚度为50nm～1000nm。

优选的，所述p型电极(7)为Cu或者Zn，其厚度为100μm～500μm。

一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长第一n型三族氮化物层(1)；

步骤2：在第一n型三族氮化物层(1)上制备图形化掩膜层(2)；

步骤3：在上述图形化掩膜层(2)的窗口上生长第二n型三族氮化物层(3)；

步骤4：在第二n型三族氮化物层(3)上继续生长三族氮化物有源层(4)和p型三族氮化物层(5)；

步骤5：在p型三族氮化物层(5)镀上反光导电层(6)；

步骤6：在反光导电层(6)上电镀p型电极(7)；

步骤7：剥离衬底得到发光器件本体；

步骤8：将发光器件本体倒装，在第一n型三族氮化物层(1)制备n型电极(8)得到倒装结构的三族氮化物微纳发光器件。

进一步的，所述衬底的材料为Si、蓝宝石、SiC、GaN、AlN、或ZnO中的一种；

进一步的，所述第二n型三族氮化物层(3)为六角金字塔结构或六角截顶金字塔结构；

进一步的，所述图形化掩膜层(2)的图形为周期性多边形或圆孔，尺寸为1μm～20μm，阵列周期为50μm～200μm，所述图形化掩膜层(2)的图形是采用湿法或干法刻蚀而成；

进一步的，所述图形化掩膜层(2)的材料为SiO₂、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、SiN_x其中的一种，其厚度为100nm～1000nm，其制备方法为等离子增强化学气相沉积，电子束蒸发或者磁控溅射。；

进一步的，所述第二n型三族氮化物层(3)为AlN、GaN、InN、不同组分的AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaN的单层或复合层结构，其制备方法为金属有机气相化学沉积或分子束外延；

进一步的，所述反光导电层(6)为Ti、Al、Ag、Pt其中的一种，厚度为100nm～1000nm；

进一步的，所述n型电极(8)为Ti、Al、Ni、Au、Ag、Cr、Pd、Pt中的两种、三种或者四种合金，其中每种合金的厚度为50nm～1000nm，其制备方法为电子束蒸发或者磁控溅射；

进一步的，所述p型电极(7)为Cu或者Zn，其厚度为100μm～500μm，其制备方法为电镀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)、本发明在图形化掩膜层上选择区域生长微纳结构的三族氮化物(如第一n型三族氮化物层(1)、第二n型三族氮化物层(3)、三族氮化物有源层(4)、p型三族氮化物层(5))，减小了材料的位错密度，提高了内量子效率；(2)、本发明将衬底剥离后倒装器件，把金属p型电极作为新的支撑衬底，这样器件的导热性能更加优越，且金属p型电极还可以作为反射镜，倒装器件解决了p型电极阴影问题，提高了发光效率。此外，微纳结构的发光器件作为显示时具有更高的分辨率；(3)、本发明的制备方法可以通过控制图形化掩膜层的周期及图形尺寸，从而控制选择区域生长的第二n型三族氮化物层的尺寸，进而控制发光器件的尺寸。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件所用的图形掩膜示意图。

图2是本发明实施例1提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的制备方法工艺流程示意图。

图3是本发明实施例1提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的制备方法工艺流程第三步的扫描电子显微镜照片。

图4是本发明实施例1提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的制备方法工艺流程第四步的立体示意图。

图5是本发明实施例1提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的立体示意图。

图6本发明实施例2提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件所用的图形掩膜示意图。

图7是本发明实施例2提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的截面示意图。

图8是本发明实施例2提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的制备方法工艺流程第三步的扫描电子显微镜照片。

图9是本发明实施例2提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的制备方法工艺流程第四步的立体示意图。

图10是本发明实施例2提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的立体示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图1-10所示，一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件，包括发光器件本体，所述发光器件本体自上而下依次有第一n型三族氮化物层(1)、图形化掩膜层(2)、第二n型三族氮化物层(3)、三族氮化物有源层(4)、p型三族氮化物层(5)、反光导电层(6)、p型电极(7)，所述第一n型三族氮化物层(1)上设有n型电极(8)。

在本发明的具体技术方案中，所述第二n型三族氮化物层(3)为六角金字塔结构或六角截顶金字塔结构，所述图形化掩膜层(2)的图形为周期性多边形或圆孔，尺寸为1μm～20μm，阵列周期为50μm～200μm，所述图形化掩膜层(2)的材料为SiO₂、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、SiN_x其中的一种，其厚度为100nm～1000nm，所述第二n型三族氮化物层(3)为AlN、GaN、InN、不同组分的AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaN的单层或复合层结构。

在图形化掩膜层上选择区域生长微纳结构的三族氮化物，如第一n型三族氮化物层(1)、第二n型三族氮化物层(3)、三族氮化物有源层(4)、p型三族氮化物层(5)，减小了材料的位错密度，提高了内量子效率。

在本发明的具体技术方案中，所述反光导电层(6)为Ti、Al、Ag、Pt其中的一种，厚度为100nm～1000nm，所述n型电极(8)为Ti、Al、Ni、Au、Ag、Cr、Pd、Pt中的两种、三种或者四种合金，其中每种合金的厚度为50nm～1000nm，所述p型电极(7)为Cu或者Zn，其厚度为100μm～500μm。

本发明将衬底剥离后倒装器件，把金属p型电极作为新的支撑衬底，这样器件的导热性能更加优越，且金属p型电极还可以作为反射镜，倒装器件解决了p型电极阴影问题，提高了发光效率。此外，微纳结构的发光器件作为显示时具有更高的分辨率；

一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长第一n型三族氮化物层(1)；

步骤2：在第一n型三族氮化物层(1)上制备图形化掩膜层(2)；

步骤3：在上述图形化掩膜层(2)的窗口上生长第二n型三族氮化物层(3)；

步骤4：在第二n型三族氮化物层(3)上继续生长三族氮化物有源层(4)和p型三族氮化物层(5)；

步骤5：在p型三族氮化物层(5)镀上反光导电层(6)；

步骤6：在反光导电层(6)上电镀p型电极(7)；

步骤7：剥离衬底得到发光器件本体；

步骤8：将发光器件本体倒装，在第一n型三族氮化物层(1)制备n型电极(8)得到倒装结构的三族氮化物微纳发光器件。

进一步的，所述衬底的材料为Si、蓝宝石、SiC、GaN、AlN、或ZnO中的一种；

进一步的，所述第二n型三族氮化物层(3)为六角金字塔结构或六角截顶金字塔结构；

进一步的，所述图形化掩膜层(2)的图形为周期性多边形或圆孔，尺寸为1μm～20μm，阵列周期为50μm～200μm，所述图形化掩膜层(2)的图形是采用湿法或干法刻蚀而成；

进一步的，所述图形化掩膜层(2)的材料为SiO₂、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、SiN_x其中的一种，其厚度为100nm～1000nm，其制备方法为等离子增强化学气相沉积，电子束蒸发或者磁控溅射。；

进一步的，所述第二n型三族氮化物层(3)为AlN、GaN、InN、不同组分的AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaN的单层或复合层结构，其制备方法为金属有机气相化学沉积或分子束外延；

进一步的，所述反光导电层(6)为Ti、Al、Ag、Pt其中的一种，厚度为100nm～1000nm；

进一步的，所述n型电极(8)为Ti、Al、Ni、Au、Ag、Cr、Pd、Pt中的两种、三种或者四种合金，其中每种合金的厚度为50nm～1000nm，其制备方法为电子束蒸发或者磁控溅射；

进一步的，所述p型电极(7)为Cu或者Zn，其厚度为100μm～500μm，其制备方法为电镀。

本发明的制备方法可以通过控制图形化掩膜层的周期及图形尺寸，从而控制选择区域生长的第二n型三族氮化物层的尺寸，进而控制发光器件的尺寸。

实施例1

如图2第八步所示，一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件，包括发光器件本体，所述发光器件本体自上而下依次有第一n型三族氮化物层(1)、图形化掩膜层(2)、第二n型三族氮化物层(3)、三族氮化物有源层(4)、p型三族氮化物层(5)、反光导电层(6)、p型电极(7)，所述第一n型三族氮化物层(1)上设有n型电极(8)。

在本发明的具体技术方案中，衬底(9)为Si衬底，第一n型三族氮化物层(1)是掺Si的AlGaN，所述第二n型三族氮化物层(3)为六角金字塔结构，所述图形化掩膜层(2)材料是SiO₂，厚度为200nm，图形化掩膜层(2)的图形为周期性圆孔，尺寸为2μm，阵列周期为100μm；第二n型三族氮化物层(3)是掺Si的GaN，其扫描电子显微镜照片如图3所示，外貌为六角金字塔结构；三族氮化物有源层(4)为InGN，p型三族氮化物层(5)为掺Mg的AlGaN，其立体结构示意图如图4所示；。

在图形化掩膜层上选择区域生长微纳结构的三族氮化物，如第一n型三族氮化物层(1)、第二n型三族氮化物层(3)、三族氮化物有源层(4)、p型三族氮化物层(5)，减小了材料的位错密度，提高了内量子效率。

在本发明的具体技术方案中，所述反光导电层(6)为Ag，厚度为100nm；所述p型电极(7)为Cu，其厚度为100μm；其中，n型电极(8)是Ti(20nm)/Al(30nm)/Ni(50nm)/Au(200nm)。

其具体制备步骤为：

步骤1：在衬底(9)上生长第一n型三族氮化物层(1)，其中，衬底(9)为Si衬底，第一n型三族氮化物层(1)是掺Si的AlGaN；

步骤2：在第一n型三族氮化物层1上制备图形化掩膜层2，其中，图形化掩膜层(2)材料是SiO₂，厚度为200nm；

步骤3：在上述图形化掩膜层(2)的窗口上生长第二n型三族氮化物层(3)，其中，第二n型三族氮化物层(3)是掺Si的GaN，其扫描电子显微镜照片如图3所示，外貌为六角金字塔结构；

步骤4：在第二n型三族氮化物层(3)上继续生长三族氮化物有源层(9)和p型三族氮化物层(5)，其中，三族氮化物有源层(4)为InGN，p型三族氮化物层(5)为掺Mg的AlGaN，其立体结构示意图如图4所示；

步骤5：在p型三族氮化物层(5)镀上反光导电层(6)，其中，反光导电层(6)为Ag，厚度为100nm；

步骤6：在反光导电层(6)上电镀p型电极(7)，其中，p型电极(7)为Cu，厚度为100μm；

步骤7：剥离衬底(9)；

步骤8：将样品倒装，在第一n型三族氮化物层1制备n型电极(8)，其中，n型电极(8)是Ti(20nm)/Al(30nm)/Ni(50nm)/Au(200nm)。

最终，本发明实施例1提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的立体示意图如图5所示。

实施例2

本实施例采用与实施例1基本一致的制备流程，区别是：把实施例1中的图形化掩膜(2)替换为六边形阵列，内径为3μm，周期为150μm，掩膜材料为TiO₂，如图6所示。

最终，本发明实施例2提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的截面示意图如图7所示。

图8是本发明实施例2提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件及制备方法工艺流程第三步的扫描电子显微镜照片，可见其外貌为六角截顶金字塔结构。

图9是本发明实施例2提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件及制备方法工艺流程第四步的立体示意图。

图10是本发明实施例2提供的一种倒装结构的三族氮化物微纳发光器件的立体示意图。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。